Gięcie Ti-6Al-4V w V z użyciem prądu impulsowego

Stop Ti-6Al-4V ma niską podatność na kształtowanie w temperaturze pokojowej i wysoki stosunek granicy plastyczności do modułu sprężystości. Wraz ze wzrostem tego stosunku rośnie sprężynowanie, dlatego kąt sprężynowania jest duży, a kontrola wymiarów końcowych jest trudna. Aby poprawić przebieg gięcia w V, w badaniu przeanalizowano wpływ parametrów prądu impulsowego, zwłaszcza napięcia zasilania i częstotliwości impulsów, na jakość detalu, siłę kształtowania i sprężynowanie. Określono przydatne parametry procesu i wyjaśniono mikroskopowe mechanizmy gięcia elektroplastycznego.

Wpływ gęstości prądu na gięcie Ti-6Al-4V w V

Wpływ gęstości prądu na siłę gięcia

Badania gięcia w kształcie litery V metodą elektroplastyczną przeprowadzono na maszynie do badań wytrzymałościowych firmy SANS. Górna i dolna matryca giętnicza maszyny były izolowane bakelitem, a elektrody doprowadzały do próbki prąd impulsowy poprzez matryce. Każda prostokątna próbka miała wymiary 50 mm × 30 mm. Prędkość suwaka wynosiła 10,5 mm/min, promień gięcia wynosił 1 mm, kąt gięcia wynosił 90°, a na każdą próbkę przyłożono takie samo przemieszczenie. Zastosowano różne napięcia zasilania i częstotliwości impulsów w celu oceny ich wpływu na sprężystość powrotną i siłę formowania.

Przy częstotliwości impulsów wynoszącej 200 Hz krzywa siła–przemieszczenie przebiega w trzech etapach. Po pierwsze, siła formowania rośnie wraz z odkształceniem podczas gięcia sprężystego. Po drugie, przemieszczenie nadal wzrasta, podczas gdy siła zmienia się nieznacznie, co prowadzi do etapu odkształcenia stabilnego. Wreszcie, gdy obrabiany element styka się z dolną matrycą, siła gwałtownie wzrasta podczas utrzymywania i utrzymuje się aż do zakończenia gięcia. W porównaniu z gięciem w temperaturze pokojowej prąd impulsowy skraca fazę sprężystą i znacznie zmniejsza siłę w fazie stabilnej. Zwiększenie efektywnej gęstości prądu dodatkowo skraca fazę sprężystą i powoduje większą redukcję siły. Przy 38,67 A/mm², siła w fazie stabilnej wynosiła 568 N, czyli o 49,01% mniej niż wymagane 1 114 N w temperaturze pokojowej. To zmniejszenie może przyczynić się do obniżenia zużycia energii i kosztów produkcji.

Wpływ gęstości prądu na jakość gięcia

W temperaturze pokojowej próbka Ti-6Al-4V uległa poważnemu pęknięciu w obszarze zgięcia w kształcie litery V, przy czym powstały długie, głębokie pęknięcia, a jakość powierzchni była niska. Przy impulsowej efektywnej gęstości prądu wynoszącej 14,00 A/mm², wygięta powierzchnia była gładka i pozbawiona pęknięć. Prąd impulsowy zwiększa wydłużenie i obniża granicę plastyczności, co pomaga zapobiegać powstawaniu pęknięć i poprawia jakość formowania.

Jakość formowania próbek z tworzywa elektroplastycznego zagiętych w kształcie litery V przy różnych efektywnych gęstościach prądu:

Podczas gięcia prąd impulsowy zmniejsza zarówno granicę plastyczności, jak i utwardzenie plastyczne stopu Ti-6Al-4V. Niższa granica plastyczności i mniejsze utwardzenie plastyczne ograniczają odskok sprężysty. Prąd ten poprawia zatem właściwości odkształceniowe i zmniejsza kąt odskoku sprężystego. Wraz ze wzrostem efektywnej gęstości prądu granica plastyczności i utwardzenie plastyczne nadal maleją, przez co odskok sprężysty staje się coraz mniejszy.

Wpływ częstotliwości impulsów na gięcie Ti-6Al-4V w V

Testy przeprowadzone przy różnych częstotliwościach wykazują, że siła formująca w fazie stabilnej maleje wraz ze wzrostem częstotliwości impulsów, niezależnie od tego, czy napięcie zasilania wynosi 80, czy 100 V. Wyższa częstotliwość impulsów zmniejsza zatem obciążenie wymagane do wygięcia. Przy danym napięciu zasilania szczytowa gęstość prądu pozostaje taka sama, ale efektywna gęstość prądu wzrasta wraz z częstotliwością, co sprawia, że efekt elektroplastyczny staje się bardziej wyraźny.

Lepsze właściwości Ti-6Al-4V w zakresie wydłużenia i zginania pod wpływem prądu impulsowego wynikają głównie z ogrzewania Joule’owskiego oraz z właściwego efektu elektroplastycznego. Ten efekt właściwy wiąże się z siłą wywieraną przez dryfujące elektrony na dyslokacje, często nazywaną siłą wiatru elektronowego, która zmniejsza siłę napędową wymaganą do ruchu dyslokacji. Ponieważ siła wywierana przez dryfujące elektrony jest proporcjonalna do gęstości prądu, wyższa efektywna gęstość prądu wzmacnia ten właściwy efekt elektroplastyczny. Powoduje to również wzrost temperatury i nasilenie efektu Joule'a. W rezultacie materiał ulega zmiękczeniu, splątują się dyslokacje, a ich gęstość maleje; wzrasta wydłużenie, a naprężenie i granica plastyczności maleją. Prąd impulsowy poprawia zatem jakość próbki, jednocześnie zmniejszając sprężystość powrotną i siłę formowania, przy czym większa poprawa występuje przy wyższej efektywnej gęstości prądu.